核化工工艺阀门的选型

＊欧阳再龙 董文杰

（中国核电工程有限公司 北京 100840）

相比于核电站高温、高压和介质种类相对单一的环境，国内基于Purex流程（普雷克斯流程-核燃料水法后处理流程之一）的乏燃料后处理工业生产过程是在强辐照、高毒性、多组分硝酸体系下的一系列复杂的化工单元[1]。从乏燃料组件的溶解到裂变元素的去污分离，从放射性废液的蒸发浓缩到污溶剂的精馏再生，各个核化工单元的物料输送、截止、调节、止逆、泄压等均通过其复杂管路的阀门或者阀组进行精准控制。核化工阀门主要包括球阀、蝶阀、截止阀（含波纹管截止阀和节流阀）、止回阀、安全阀、减压阀、穿地/穿墙阀等，它是后处理厂安全运行必不可少的组成部分，也是后处理生产过程可靠运行的重要保障。

不同物项分级的阀门服务于不同的功能系统。根据EJ/T 939-2014《核燃料后处理厂建（构）筑物、系统和部件的分级准则》[2]，核化工工艺阀门从安全级上分为RS-1、RS-2、NR(S)和NR，抗震等级分为1A、1I和NA，质保等级分为QA1、QA2、QA3和QAN。实际核化工项目中，安全级工艺阀门主要是确保主工艺路线上关键部位的运行安全，所占工艺阀门总数的比例不高。下面将就工艺阀门选型过程的相关技术要求和特点进行介绍。

1.阀门使用环境和材质选择

(1)阀门使用环境

工艺管路中的流动介质和工艺阀门的使用环境决定了阀门关键部件的选型要求。核化工工艺阀门控制的管路上涉及的介质多达150多种，主要可以分为铀钚硝酸盐溶液、煤油-TBP等有机相、硝酸、氢氧化钠、压缩空气、蒸汽、去离子水等。上述介质的温度范围大多在20～200℃之间，管路介质压力范围基本在-0.095～2.0MPa之间，阀门周边环境温度为0～40℃[3]。EJ849-1994《核燃料后处理厂辐射安全设计规定》[4]中将放射性厂房的辐射分区分为白区、绿区、橙区和红区，工艺阀门在这四个分区中均有分布。作为辐射工作场所的工作分区和检维修分区，绿区和橙区集中布置了绝大多数的工艺阀门；红区作为放射性设备分区，考虑到其中各类放射性源项对工作人员辐照影响以及复杂的设备、管网布置环境，一般原则都是尽可能采用无阀门控制的单一点对点管路输送模式，或者采用寿期内免维修阀门如冷冻阀以及采取远距离、间接维修的阀门如穿地阀或者穿墙阀等；白区作为非辐射工作场所，除了少量非放射性工艺用试剂集中布置在此外，其他工艺设备及管路均布置在绿区、橙区、红区等控制区内，区域内相应工艺阀门数量也只占阀门总数的很小份额。

除了直接接触环境外，核化工工艺阀门还需考虑地震等状态下的事故环境。抗震类的工艺阀门数量占比与安全级工艺阀门的数量基本相匹配，这些阀门都应具有承受地震荷载的能力；带有偏心荷载结构（如驱动机构）的阀门还应根据厂址实际反应谱的大小考虑各个方向的加速度限值。地震事故环境的引入不仅是为了某些工段下工艺的应急运行，更重要的是确保放射性介质被严格限制在其包覆的设备和管道之中，防止放射性物质逸出、泄露，保证核安全这一生命线。

(2)阀门材质选择

基于硝酸介质的核化工体系中，工艺阀门的主体材质均为奥氏体不锈钢，主要包括321（06Cr18Ni11Ti）、304L（022Cr19Ni10）、316Ti（06Cr17Ni12Mo2Ti）和316L（022Cr17Ni12Mo2）。作为耐硝酸腐蚀性能优异、原材价格适中的304L不锈钢，用其作为主体材料的工艺阀门占比高；对于力学性能有更高要求的部分阀门则会选用321不锈钢作为主体材料；对于少量草酸和高温环境的介质，则采用含微量元素Mo的316Ti不锈钢和316L不锈钢。

核化工工艺阀门以小口径为主，大口径工艺阀门主要用于循环水、工艺尾气、蒸汽、压空等管路中。对于小口径（DN≤50）阀门，其阀体制造过程一般采用整体锻造，对于公称压力不高的大口径阀门（DN＞50），则可以采用铸造形式。当前，核化工工艺阀门的主体材料尚未形成自身的行业标准，主要还是参考引用ASTM A240、ASTM-A351、RCC-M和GB/T 12230等。表1详列了各个标准下不同不锈钢材料牌号的对应关系。

表1 核化工工艺阀门用奥氏体不锈钢牌号对照

2.阀门类型的选择

阀门类型的选择取决于阀门使用环境和工艺功能需求。我国核化工经过数十年的发展和探索，在工艺阀门选型上已经形成了具备自身特色的应用体系。

(1)开关阀的选取

在核化工工艺中应用的开关阀主要是球阀、蝶阀和波纹管截止阀（包括少量截止阀）。球阀具有体积小、启闭迅速、操作方便、安全可靠的优点，多用于公称直径（DN）＜100、且介质为稀酸、稀碱、蒸汽、水、压缩空气、有机相等的输送管路[5]。蝶阀具有结构简单，不易产生热变形、重量轻、占据空间小、阻力相对小、启闭迅速、密封性好、寿命较长等优点，主要用于公称直径（DN）≥100的管路。波纹管截止阀采用波纹管加填料密封的双重密封结构，具有防止工艺流体侵蚀阀杆并确保阀杆零泄漏的优点，其在核化工工艺中具有十分重要的应用场景；对于介质为放射性溶液、解吸液、浓酸、浓碱、甲醛、水合肼等有毒有害的介质，采用波纹管截止阀可以有效减少介质泄露扩散带来风险；对于红区与橙区、绿区相连的管路，波纹管截止阀作阻断隔离阀的角色是不可或缺的。

针对需要启闭控制且料液放射性水平较高的管道，由于人员无法进行直接检维修，需要考虑使用远距离操作的开关阀。目前，核化工中常用的此类阀门主要为穿地阀和穿樯阀。穿地阀一般布置在设备室的顶板，阀门伸入设备室内部的部分包括阀门的阀体和加长的阀轴，阀门操作装置的主体则留在设备室外的橙区用房，方便工作人员的正常操作。穿墙阀一般布置在设备室侧墙，阀门主体位于设备室内的管道上，阀门操作装置布置在设备室外，通过硬性或者柔性杆将驱动装置的传动操作力矩传递到设备室的阀门主体，从而实现阀门的远距离操作。穿地阀的检修一般是利用专门的检修容器进行，通过检修容器抽取阀轴实现密封填料等部件的更换；穿墙阀在主体阀穿墙阀在主体阀门损坏后需先对设备室进行清洗去污，满足剂量要求后工作人员穿戴防护用具进入设备室进行直接检维修。

(2)止回阀的选取

在核化工领域中，止回阀除了拥有民用领域的一些常用场景外，还有一项特殊的应用场景。确保辐射安全，减少放射性扩散污染是核化工后处理设计中的重要准则之一。为此，对进入放射性集中的红区设备室的试剂、水、蒸汽等各类管道，需采取有效手段防止红区气溶胶向红区外部干净区扩散。从最开始的水封、管道过滤器方案到最后的止回阀方案，都进行了长期的探索。止回阀具有结构简单、尺寸短小、自动运行和寿命长的优点，特别适合与波纹管截止阀一起组成核化工厂房中的防红区设备室气溶胶扩散的隔离阀组。图1描述了止回阀作为隔离阀在核化工管路中的基本布置方式，其开关的压降需根据管路介质的压力和管道的空间布局来进行选型，相关的工程试验台架验证也给实际工程应用提供了坚实的数据支撑。

图1 止回阀和波纹管截止阀作为隔离阀组的布置示意

(3)驱动方式的选择

核化工的设计不仅要确保安全性，同时也要尽可能实现操作、运行和响应的便捷性。目前，核化工工艺阀门的驱动方式主要有气动、电动、电磁驱动和手动等，其中气动阀门数量已基本能覆盖所有工艺控制管路。电动、电磁驱动阀门数量较少，主要用于热室和取样相关的管路上。气动驱动装置具有结构简单、输出推力大、动作平稳且安全防爆的特点，在没有短时间、高频次开关和安装空间受限的要求下，其可靠性要优于电动和电磁驱动形式。

(4)连接方式和密封形式的选择

核化工工艺阀门的连接形式分为焊接和法兰连接两种，其中焊接形式指的是对接焊，法兰形式指的是突面对焊法兰。对于核化工厂房中白区、绿区的工艺阀门，以及橙区中不存在潜在放射性污染的阀门，其连接形式均可以采法兰连接，方便运行过程的检维修操作；对于橙区、红区输送放射性料液或者存在潜在放射性污染可能性的料液管道，其管路阀门一般采用焊接形式，其它需经常检修更换的部位，则还是采用法兰连接。核化工工艺阀门的选型过程还需考虑部分阀门密封形式。位于放射性介质管路或者介质带有硬质颗粒的管路球阀，其密封形式一般选用硬质金属硬密封形式，这样既可以减少软密封结构维修更换产生的放射性固体废物，也可以避免硬质颗粒划伤软密封材料后，介质泄露导致的安全隐患。对于密封形式为本体密封的波纹管截止阀、节流阀，其密封表面均需进行硬化处理；但如果管路介质中含有硝酸，按照RCC-M F6532的要求则不能将密封面进行堆焊硬化，以防止硝酸加速腐蚀堆焊焊缝导致硬质合金脱落。此外，对于介质温度大于180℃的软密封球阀和介质温度大于130℃的软密封蝶阀，其软密封材料的性能在运行过程中会快速降低甚至失效，所以上述阀门一般也会采用硬密封结构形式[5]。

3.阀门采购过程的技术要求

相比于核化工，核电阀门在原材料采购、设计加工、制造验收等整套流程均实现了标准化，也为下游培育了一批成熟可靠的国内阀门制造厂。核化工工艺阀门采购过程技术接口交换、制造过程、质保、出厂验收目前以参考核电阀门为主，主要的依据标准是RCC-M 2007、NB/T 20010系列、GB/T 13927、GB/T 26480等。实际采购过程中，由于核化工的工艺介质环境和核心工艺与核电大相径庭，所以核化工工艺阀门的采购过程还需重点关注以下几点：

（1）规定工艺阀门的外形尺寸。核化工项目工艺管路及阀门数量多且布置形式复杂、紧凑，在阀门采购技术文件中必须对阀门的外形尺寸进行明确限制，防止阀门到厂后出现无法安装或者无法正常操作和检修的情况。

（2）要在采购清单中详细罗列出介质相关的信息。核化工工艺阀门涉及介质繁多，采购过程中应达到让生产厂家知悉介质酸度、放射性等一系列影响阀门关键部件选型、选材的因素。

（3）在采购过程需要厂家结合核化工独特的生产环境和设计模式去考虑阀门设计和验收。核化工项目一般处于内地大风、干燥且多沙尘的地区，阀门在到厂入库和安装过程均不可避免的遭沙尘污染，采购过程中应要求厂家在设计制造阶段不仅要考虑阀门本身的清洁，而且也应考虑外部恶劣环境下，阀门安装后不出现大面积磨损、垫片性能下降等一些列影响阀门使用性能的问题。

此外，核化工非安全级气动阀采用阀岛式的集中气源进出口，这种方式会导致部分阀门的气源管管路布置路径很长（接近20m）。如按照相关标准进行气动装置的试验验收（就地排气），将无法贴近使用工况进而判断出气动装置到厂安装后的实际使用性能。因此在阀门采购过程中，有必要将这些设计方式与阀门一道在生产制造过程就进行验证确认。

4.小结和展望

核化工工艺阀门种类多、数量大，是实现工艺管路控制和工艺功能的关键设备。核化工工艺阀门的选型过程涉及使用环境、材质、阀门类型、采购等各个环节，通过有效区分管路介质特性、阀门外部环境，掌握各类阀门材质的特征、细化各个场景下阀门的使用范围，使得各类阀门的适用性最优化；结合实际阀门的安装环境和运行模式强化采购制造过程中阀门功能的验证，最终为核化工项目安全、稳定的运行提供了坚实的保障。

由于缺少本行业自身的阀门选型、制造等相关标准，核化工阀门设计要求目前还是参考引用核电行业。这种参考和借鉴能在短时间内帮助国内阀门厂家快速理解和响应核化工阀门的供货需求，但是在真正理解、消化到后续因地制宜的优化阀门设计、制造、验收等方面会产生瓶颈。因此，未来要加速实现核化工领域包括阀门等众多方向设计、制造的标准化，形成相应的行业标准。